茶饮料自动灌装线的系统

　　近几年来，我国茶饮料结构发生了较大的变化。目前，茶饮料在我国饮料行业中占据着举足轻重的地位，作为饮料行业中巨头，茶饮料以其绿色、健康、方便、快捷、独特的口感等优点深受人们的喜爱。加之我国几千年的茶文化，不但给茶饮料的发展提供了空间，而且明确了茶饮料发展是一种潮流。随着生活节奏的加快，工作压力的增大，静坐品茶逐渐成为了一种奢侈的享受，而茶饮料的出现恰恰解决了这个问题。因此，在这种背景之下，人们对茶饮料的需求量日益暴涨，如何提高茶饮料的产量就显得十分重要，对于传统的饮料灌装线来说，由于多数是由人力操作，不但生产效率比较低下，而且卫生条件得不到保障，因此，在这种环境下，部分企业为了追求效率，为了追求经济利益，就拿“茶”作秀，在生产茶饮料的过程中仅仅靠糖精、香精水等勾兑，导致茶饮料中的茶多酚不合格，像这种饮料喝多了只会影响消费者的健康。

　　在茶饮料自动生产中，灌装线起着非常重要的地位。如何提高工厂的实际生产效率；如何解决茶饮料固体配方、液体配方的比例；如何快速精确的控制每一瓶茶饮料的量等问题有待解决。

　　1.2.1系统构成

　　茶饮料自动灌装线由供料系统、反应器、储液罐、灌装系统等几部分组成，如图1-1所示。各系统

　　1.2.2工艺流程

　　系统运行时，聚合物通过A阀进入到一号溶液，灌满后传感器SQ1发出信号，A阀关闭，启动D阀将水抽到二号溶液，当水抽到35%后，传感器SQ2发出信号，D阀关闭，F阀启动将水抽到反应器溶液中，当水抽完后，传感器SQ3发出信号，F阀关闭;延时一秒后开启B阀，使溶液进入到二号溶液，二号溶液灌满后传感器SQ4发出信号，B阀关闭，启动E阀将水抽到三号溶液，当水抽到35%后，传感器SQ5发出信号，E阀关闭，G阀启动将水抽到反应器溶液中，当水抽完后，传感器SQ6发出信号，G阀关闭;延时一秒后开启C阀，使溶液进入到三号溶液，三号溶液灌满后传感器SQ7发出信号，C阀关闭，H阀启动将水抽到反应器溶液中，当水抽完后，传感器SQ8发出信号，H阀关闭;延时一秒后开启I阀，使溶液进入到反应器溶液中，反应器溶液灌满后传感器SQ9发出信号，I阀关闭，同时搅拌器启动，搅拌时间可在画面中改变，当搅拌时间到，I阀开启将混合液抽走，直到反应器溶液空，传感器SQ10发出信号，I阀关闭这样完成一次生产循环。

　　在任何时候按下停止按钮后，控制系统都要将当前的化学反应过程进行结束，才能停止动作，返回初始状态。

　　通过程序控制设备动作，进而实现完成灌装的过程。该茶饮料自动灌装线无需人工操作，需要以两个压力传感器控制固体配方的量（一个用于反馈放置茶饮料固体配方重量不足、另一个用于反馈单次所需茶饮料固体配方的重量）；以两个电磁流量计控制液体的流量（一个控制茶饮料液体配方的流量；一个控制一瓶茶饮料所需的饮料成品液的流量）；以四个液位传感器作为反应器及储液罐的上下限位开关；以三相异步电机作为输送带传递的动力源。为了防止储缸憋压损坏储缸，采用微生物过滤器以及flow swith保护储缸。

　　2.1.1 PLC的选择

　　PLC是通过输入端子接受外部的输入信号，提供给PLC内部设计人员编写的程序，进而通过输出端输出信号给相应的硬件，执行对应的动作。

　　三菱FX系列的PLC不仅具有运算速度快、存储量大、编程功能强大、扩展功能模块多、灵活的输入/输出点数配置、丰富的功能指令集等特点，而且三菱PLC应用广泛，价格相对便宜。通过分析得知，该茶饮料自动灌装线大致需要21个输入点，15个输出点，考虑到将来系统的升级改造，预留20%以上的输入输出点，这里选择三菱FX2N-64MT型的PLC，该PLC有32个输入点，32个输出点，完全能满足系统要求。

　　2.1.2 I/O分配

　　在整个基于PLC控制的茶饮料自动灌装线中，PLC需要控制完成茶饮料固体配方不足报警，单次所需茶饮料固体配方的质量控制，单次所需茶饮料液体配方的流量控制，搅拌器及搅拌时间的控制，接收传感器反馈的信号，还有装置的启动、停止、急停等等。PLC具体的I/O分配如表2-1所示。

　　通过表2-1茶饮料自动灌装线I/O分配表绘制电气原理图，该原理图以三菱FX2N-64MT为控制核心，按钮、传感器为PLC提供输入信号，通过程序控制各输出灯，特殊功能模块控制压力传感器，具体如图2-1所示。

　　通过图2-1电气原理图及控制要求可知，基于PLC控制的茶饮料自动灌装线需采用触摸屏、电磁流量计、液位传感器、压力传感器、光电传感器、FX-2AD特殊功能模块等，详细选择原因如下。

　　2.3.1触摸屏的选择

　　触摸屏的主要工作原理是接受触摸点检测装置上的触摸信息，将其转换成相应的触点坐标，通过连接线传送给CPU，并且还能接受执行CPU发来的命令。

　　北京昆仑通态触摸屏具有体积小，功能强大的特点，该型号触摸屏支持与市场上大多数的PLC连接，具有传输速率快，价格低廉等优点。在基于PLC控制的茶饮料灌装线中，触摸屏为整个系统提供对应单元的启动、停止信号、急停信号等。

　　综合考虑，本设计选择北京昆仑通态TPC1062KX触摸屏。

　　2.3.2液位传感器的选择

　　液位传感器在基于PLC控制的自动灌装线中起着至关重要的作用，它作为反应器和储液罐的液位检测元件为PLC提供反馈信号。

　　干簧管式浮球液位传感器适用于液位的限位控制，干簧管也称磁簧管，是一种触点式的无源电子开关元件，它具有结构简单、体积小、便于控制等优点。干簧管式浮球液位传感器工作原理是：在密封的非磁性金属或塑胶管内设置一个或多点干簧管开关，将内部有永久磁铁的中空浮球固定在杆径内有干簧管开关的位置处，由于浮球在一定范围内的移动，而浮球内部磁铁会吸引吸引干簧管开关导致其闭合，产生开关的动作，从而达到控制液位的作用。在基于PLC控制的饮料灌装线中，该液位传感器起到了控制反应器以及储液罐容量上下限控制，从而给PLC提供信号，达到自动控制阀的开关，闭合。

　　综合考虑，本设计选择了干簧管式浮球液位传感器。

　　2.3.3电磁流量计的选择

　　电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制造的用来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表。

　　LDY智能电磁流量计具有高效节能、精度高、不易堵塞、可靠性好、抗干扰性高等优点。可通过红外线设置参数，具有自我诊断、空负载、两级流量及上下限流量报警输出功能。在基于PLC控制的饮料灌装线中，可以通过设定固定的值精确的控制液体配方的流量以及每一瓶茶饮料的容量。

　　综合考虑，本设计选用DN20 LDY智能电磁流量计。

　　2.3.4压力传感器的选择

　　在基于PLC控制的饮料自动灌装线中，压力传感器起到了反馈茶饮料单次所需茶饮料固体配方质量检测，考虑到固体配方的检测属于动态测量，所以选择压电式压力传感器。

　　压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应制成的。压电效应是指某些物质（如石英、铣钛酸铝等）在特定的条件下受到外力作用时，几何尺寸及内部产生极化现象，同时在相应的两表面上产生正、负两种电荷而形成电场，当外力撤销是，又恢复到之前不带电的状态。经过外力的电荷，只有在回路具有无限大的阻抗时才能够保存，而压电式压力传感器是做不到的，所以压电式压力传感器只能用于动态测量。

　　综合考虑，本设计选用压电式压力传感器。

　　2.3.5光电传感器的选择

　　光电传感器是利用光的性质，检测物体的有无以及物体表面状态变化等的传感器。在基于PLC控制的茶饮料自动灌装线中，需要检测灌装口是否有瓶子，因此对于这种情况，需要选择漫射式（漫反射式）光电传感器。

　　综合考虑，本设计选取漫射式光电传感器。

　　2.3.6特殊功能模块的选择

　　A/D转换器也叫“模拟数字转化器”（ADC），其作用是对连续变化的模拟量进行离散化的处理，转化为相应的数字量。在基于PLC控制的饮料自动灌装线中，通过对压力传感器反馈模拟量的采集进而控制阀的动作。

　　2.3.7温度计的选择

　　在茶饮料生产的过程中，为了防止茶饮料固体配方和茶饮料液体配方搅拌不均匀，影响口感，所以我们需要在一定程度上保证储缸内的温度。由于反应器储缸内的温度不会太高，属于中低温度，鉴于此，选择WSS系列双金属温度计。

　　WSS系列双金属温度计是一种测量中低温度的现场检查仪表，他可以直接测量在各种生产过程中，温度在-80°~500°范围内的蒸汽、气体和液体介质温度，它具有体积小、响应速度快、较稳定、线性度好等优点。

　　综合考虑，本设计选取万向型双金属温度计。

　　2.3.8微生物过滤器的选择

　　在茶饮料的生产中，需要用到反应器和储液罐两个储缸，在往储缸里打料时，缸内处于正压状态；往储缸外打料时，缸内处于负压状态。因此，为了保护储缸，我们需要选择合适的安全装置。在安全装置的选取是，必须要考虑质量方面，保证储缸内半品处处于合格的状态。

　　微生物过滤器的原理以醋酸纤维素为主要材料的具有均一孔径的穴孔的人工膜，使超过孔径限度以上的微生物不能通过

　　2.3.9安全装置的选择

　　本设计储罐上会有微生物过滤器/排气弯头进行内外压力平衡的调节,当通透性受到阻碍时(例如过滤器堵塞),储罐使用时会形成持续增加/减少的压力,如果没有安全装置会有储罐爆裂,吸瘪的风险,安全装置可以在储罐未发生危险前将压力释放,起到储罐的保护作用。

　　德威诺斯双作用真空安全阀采用316L材质，以Silicone密封，压力范围：US2正压0.7bar-2.5bar；US4正压0.2bar-2bar；负压0.03bar，完全满足本设计的要求。

　　综合考虑，本设计选取德威诺斯双作用真空安全阀。

　　2.3.10 flow swith（流量开关）的选择

　　在实际生产的过程中，为了防止泵的空转，损害泵的使用寿命，我们需要采用适当的保护措施。

　　Dwyer Flow Switch（流量开关）具有高可靠性能，用于保护设备免受液体、气体或泥浆引起的过流，缺流或停流的影响

　　Dwyer Flotect V4流量开关坚固可靠，可在流量减少或消失时自动保护设备与管道系统不被损坏。独特的磁力开关设计保证了优良的性能，使V4没有波纹管、弹簧或密封故障，相反，自由摆动的叶片吸引着金属固态开关内的磁体，通过简单的杠杆来激发快速开关。

　　综合考虑，本设计选取Dwyer Flotect V4流量开关。

　　PLC程序在整个茶饮料自动灌装线中起着驱动硬件的作用，需要控制固体、液体阀，提供搅拌机的启动、停止信号等。

　　基于PLC控制的茶饮料自动灌装线在初始状态下，按下启动按钮，由程序控制压力传感器以保证单次反应所需固体的量，以电磁流量计控制单次所需液体的量，用过反应器内的搅拌器搅拌完成加工过程，然后保存到储液罐中，当反应器里没有液体时，继续加工反应，具体工作过程如图3-1所示。

　　在基于PLC控制的茶饮料自动灌装线程序编制中，需要用到一些寄存器号，具体的寄存器如表3-1所示。

　　序号功能和作用PLC数据寄存器备注

　　基于PLC控制的茶饮料自动灌装线所采用的触摸屏是北京昆仑通态的组态监控软件，在使用MCGS进行画面设计制作时，需要在PC上安装MCGS的画面设计软件。

　　本系统采用现场触摸屏控制和控制室远程控制，故人机界面分现场控制和远程控制交互界面两部分。

　　现场触摸屏控制的主要功能是现场进行控制系统的运行，该交互画面通过北京昆仑通态触摸屏可以实现对基于PLC控制的茶饮料自动灌装线基本控制，该画面主要由控制按钮及对应的指示灯组成。基于PLC控制的茶饮料自动灌装线现场控制画面如图4-1所示。

　　该画面比较简单，只是一些能使系统运行的启动、停止、急停、搅拌、计量等控制按钮及其相对应的状态指示灯。

　　远程控制监控画面主要是为了在控制室进行远程控制并能实时监视整个生产线的运行状态，同时记录整个系统历史数据，便于分析和调整相关参数和工艺。

　　4.2.1工程框架

　　根据系统工艺过程及设计要求，茶饮料自动灌装线的远程监控系统需要设置下列画面：

　　（1）主画面：主要用来显示茶饮料自动灌装线的整个生产过程和运行状态。

　　（2）数据报表：以表格的形式显示相关数据的变化情况。

　　（3）趋势曲线：以曲线的形式显示相关数据的变化趋势。

　　4.2.2建立新工程

　　在MCGS中，创建一个名为“茶饮料自动灌装线的远程监控系统”的新工程，然后在其工作台上新建“主画面”、“数据报表”、“趋势曲线”三个窗口，如图4-1所示。

　　4.2.3建立实时数据库

　　根据分析，基于PLC控制的茶饮料自动灌装线远程监控系统共需44个变量，其中9个数据变量，1个组变量，其余均为开关变量，如表4-1所示。在MCGS工作台上打开实时数据库选项，按照表中所列的数据变量及其对应的属性，进行建立相应的组态数据。

　　表4-1系统所需的组态变量

　　序号变量名称类型初值注释

　　1反应器液位数值型0表示储液罐液位高低，满刻度为100

　　2反应器上限数值型100表示反应器液位上限值

　　3反应器下限数值型0表示反应器液位下限值

　　4储液罐液位数值型0表示储液罐液位高低，满刻度为1000

　　5储液罐上限数值型1000表示储液罐液位上限值

　　6储液罐下限数值型0表示储液罐液位下限值

　　7储液罐上限开关开关型0表示储液罐液位上限开关

　　8储液罐下限开关开关型1表示储液罐液位下限开关

　　9反应器上限开关开关型0表示反应器液位上限开关

　　10反应器上限开关开关型1表示反应器液位下限开关

　　11单次固体配方控制阀开关型0单次固体配方管道控制阀

　　12单次固体配方控制阀开关开关型0单次固体配方控制阀开关

　　13单次所需固体配方开关型0单次所需固体配方

　　14单次所需固体配方开关开关型0单次所需固体配方开关

　　15电磁流量计1开关型0统计管道流过的流量

　　16电磁流量计2开关型0统计管道流过的流量

　　17电磁流量计1开关开关型0电磁流量计1的开关

　　18电磁流量计2开关开关型0电磁流量计2的开关

　　19电机开关开关型0电机开关

　　20电机运行指示开关型0电机运行指示灯

　　21光电传感器开关型0光电传感器

　　22搅拌器开关开关型0搅拌器开关

　　23启动开关型0启动

　　24启动指示灯开关型0启动指示灯

　　25急停开关型0急停

　　26急停指示灯开关型0急停指示灯

　　27停止开关型0停止

　　28停止指示灯开关型0停止指示灯

　　29水位组组对象0水位组

　　30停止指示灯开关型0停止指示灯

　　31叶片开关型0搅拌叶片

　　32固体配方阀开关型0固体配方阀

　　33固体配方不足开关型0固体配方不足

　　34固体配方阀开关开关型0固体配方阀开关

　　35固体配方量检测开关型00固体配方量检测

　　36固体配方流量数值型0.1固体配方流量

　　37液体配方阀开关型0液体配方阀

　　38液体配方阀开关开关型0液体配方阀开关

　　39液体配方流量数值型0.1液体配方流量

　　40饮料成品液阀开关型0饮料成品液阀

　　41饮料成品液阀开关开关型0饮料成品液阀开关

　　42饮料成品液流量数值型0.1饮料成品液流量

　　43混合液阀开关型0混合液阀

　　44混合液阀开关开关型0混合液阀开关

　　45混合液流量数值型0.1混合液流量

　　4.2.4主画面设计

　　茶饮料自动灌装生产线远程监控系统可完成简单的控制、画面的监控及设备元件的显示工作，通过该画面可知道茶饮料生产的情况，减少了人力的操作和繁杂的程序。该监控画面可完成茶饮料灌装线的手动调试及自动控制，增加了差固体配方不足的报警功能、控制阀的流量调节功能、容量显示等，大大提高了实际生产的效率和安全性，增加企业更多地效益。茶饮料自动灌装生产线远程监控系统主画面如图4-2所示。

　　下面介绍主要元件的动画连接过程。

　　（1）反应器的制作及动画连接

　　在绘图工具箱元件库的反应器类图形库中，选择如图4-2中所示的反应器元件，按照图示调整其大小和位置，然后进行属性设置。在单元属性设置的动画连接中，折线的大小变化选为“反应器液位”，折线的可见度选为“叶片”，组合图符的可见度选为“叶片”，如图4-3所示。在其动画组态属性中，最小变化和最大变化的对应关系以及变化方向、变化方式的设置如图4-4所示。

　　（2）储液罐的制作及动画连接

　　在绘图工具箱元件库的储液罐类图形库中，选择如图4-2中所示的储油罐元件，按照图示调整其大小和位置，然后进行属性设置。在单元属性设置的动画连接中，折线的大小变化选为“储液罐液位”，如图4-5所示。在其动画组态属性中，最小变化和最大变化的对应关系以及变化方向、变化方式的设置如图4-6所示。

　　（3）混合液流量调节器的制作及动画连接

　　选择绘图工具箱中的旋转输入器，调整其大小和位置，然后进行属性设置。在旋钮输入器构件属性设置中，对应的数据对象名称设为“混合液流量”，最大逆时针135度对应的值设为“0”，最大顺时135度对应的值设为“2”，旋钮输入时，一次扭动的最小变化量设为“0.1”，如图4-7所示。

　　（4）液体配方阀的制作及动画连接

　　在元件库的阀类元件库中，选择如图4-2所示的阀元件，调整其大小和位置，然后进行属性设置。在单元属性设置中，填充颜色对应的数据对象设为“液体配方阀”，如图4-8所示。填充颜色分段点0对应的颜色设为“红色”，填充颜色分段点1对应的颜色设为“绿色”，如图4-9所示。

　　本文主要介绍了PLC在茶饮料自动灌装线中的应用，怎么通过按钮等硬件、触摸屏及组态技术实现对基于PLC控制的茶饮料自动灌装线的控制，怎么实现组态技术的时时监控，怎样实现茶饮料灌装线的自动生产等等，介绍了基于PLC控制的茶饮料自动灌装线的PLC程序、所需要设置的组态参数及脚本程序、组态运行模拟监控画面等，通过上述介绍让人们更直观的了解基于PLC控制的茶饮料自动灌装线。

　　本论文是在李智明老师的悉心指导下完成的。李老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅是我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与人处事的道路。

　　本论文从选题到完成，倾注了老师大量的心血。在此，谨向李老师表示崇高的敬意和衷心的感谢!

　　【1】三菱电机.FX2N系列PLC编程手册

　　【2】三菱电机.FX2N系列PLC硬件手册

　　【3】三菱电机.FX2N系列PLC软件手册

　　【4】张同苏徐月华自动生产线安装与调试北京：中国铁道出版社2010.

　　【5】李金城PLC模拟量与通信控制应用实践北京：电子工业出版社2011.

　　【6】李智明电气控制与PLC及变频器技术应用大连：大连理工大学出版社2013.

　　【7】龚仲华三菱FX系列PLC应用技术北京：人民邮电出版社2010.

　　【8】李智明工控组态设计与应用大连：大连理工大学出版社2014.